EP1741886A1

EP1741886A1 - Abgasstrang und Verfahren zur Regenerierung eines Rußfilters

Info

Publication number: EP1741886A1
Application number: EP06118972A
Authority: EP
Inventors: Norbert Breuer; Markus Widenmeyer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-10-02
Filing date: 2004-09-27
Publication date: 2007-01-10
Anticipated expiration: 2024-09-27
Also published as: ES2309910T5; DE502004003525D1; ES2286561T3; EP1741886B2; ES2309910T3; DE10345945A1; DE502004007582D1; EP1520964A1; EP1520964B1; EP1741886B1

Abstract

Es wird ein Abgasstrang einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Diesel-Brennkraftmaschine, mit einem Rußfilter (12) und einer Einrichtung (16) zur Regeneration des Rußfilters (12), sowie ein Verfahren zur Regenerierung eines Rußfilters (12) vorgeschlagen, der in einem Abgasstrang (10) einer Brennkraftmaschine angeordnet ist. Bei dem Verfahren wird ein Additiv eingesetzt, das einen bei der Regenerierung wirkenden Katalysator umfasst, sowie die Temperatur des Rußfilters (12) erhöht, so dass an diesem angelagerte Rußpartikel oxidieren. Erfindungsgemäß wird das Additiv oder ein Umsetzungsprodukt desselben an einer Stelle in den Abgasstrang (10) eingetragen, die zwischen der Brennkraftmaschine und dem Rußfilter (12) liegt (Figur 1).

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht von einem Abgasstrang einer Brennkraftmaschine gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art sowie von einem Verfahren zur Regenerierung eines Rußfilters gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruches 18 näher definierten Art aus.
Bei Brennkraftmaschinen, insbesondere bei Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen, bestehen hohe Anforderungen bezüglich ihrer Emissionen. Es ist daher stets ein Bestreben, effiziente Abgasreinigungsverfahren einzusetzen. Insbesondere bei Diesel-Brennkraftmaschinen ist es aus toxikologischen Gründen wünschenswert, dass das an die Umgebung abgegebene Abgas eine möglichst geringe Rußkonzentration aufweist. Hierzu kann der betreffende Abgasstrang mit einem mit entsprechenden Substraten ausgestatteten Rußfilter versehen sein.
Rußfilter haben jedoch nur eine begrenzte Aufnahmekapazität, so dass er bei einem bestimmten Füllgrad, welcher beispielsweise über eine an dem Rußfilter gemessene Druckdifferenz bestimmt werden kann, regeneriert werden muss. Die Regeneration kann beispielsweise durch Oxidation des abgelagerten Rußes mittels Abgassauerstoff erfolgen, der der Brennkraftmaschine im Überschuss zugeführt wird. Um die Oxidation auszulösen, muss an dem Rußfilter eine minimale Zündtemperatur erreicht werden. Oberhalb der Zündtemperatur kann die frei werdende Verbrennungsenergie des Rußes die Reaktion aufrecht erhalten.
Bei Diesel-Brennkraftmaschinen moderner Kraftfahrzeuge ist die Temperatur des betreffenden Abgases jedoch häufig zu niedrig, um eine thermische Regeneration einzuleiten. Es werden daher innermotorische Maßnahmen ergriffen, welche zu einer Erhöhung der Abgastemperatur führen. Diese können beispielsweise in der Veränderung des Einspritzverlaufs und/oder der Abgasrückführrate liegen, wobei es stets wünschenswert ist, dass die Fahrdynamik des betreffenden Kraftfahrzeuges nicht beeinträchtigt wird.
Alternativ oder auch zusätzlich ist es möglich, zur Erhöhung der Filtertemperatur nachmotorische Maßnahmen einzusetzen. Beispielsweise kann das in den Rußfilter einströmende Abgas oder der Rußfilter selbst elektrisch erhitzt werden. Auch ist es bekannt, sogenannte katalytische Brenner zur Erhöhung der Temperatur am Rußfilter einzusetzen.
All diese Maßnahmen zur Erhöhung der Temperatur sind mit einem zusätzlichen Energieaufwand verbunden.
Ein weiteres Problem bei der Regeneration von Rußfiltern stellt die Temperaturkontrolle dar. So kann es nach Überschreiten der für die Oxidation des Rußes erforderlichen Zündtemperatur zu einer selbstständigen Verstärkung der Reaktion kommen, die zu einer deutlichen Erhöhung der Temperatur des jeweiligen Rußfilters führt, was gegebenenfalls zu einer irreversiblen Schädigung der Struktur des Rußfilters führen kann.
Um den verfahrenstechnischen Aufwand bei der Oxidation des am Rußfilter abgelagerten Rußes zu verringern und gleichzeitig die Gefahr einer Schädigung der Filterstruktur zu verringern, ist ein Verfahren bekannt, bei welchem dem Kraftstoff, der zur Verbrennung in die Brennkraftmaschine geführt wird, ein Additiv zuzugeben, das in dem Abgasstrang am Rußfilter dafür sorgt, dass die zur Regeneration des Rußfilters erforderliche Temperatur signifikant gesenkt wird. Das Additiv wirkt also als Katalysator.
Die bisher bekannten Additive sind so aufgebaut, dass sie ein Metallatom umfassen, welches einen Komplex mit organischen Liganden bildet, die das Metallatom vor einer Oxidation schützen und die es ermöglichen, die Additive in dem Dieselkraftstoff in Lösung zu halten. Bei der Verbrennung des Kraftstoffes in der Brennkraftmaschine wird die organische Schutzstruktur zerstört. Das Metallatom bzw. dessen Oxid wird in die Struktur der bei der Verbrennung erzeugten Rußpartikel eingebaut und wirkt dann bei der Regeneration des Rußfilters als hochdisperser Katalysator, der eine Oxidation des Rußes erheblich beschleunigt.
Nach der Regeneration des Rußfilters fällt an dem Rußfilter eine sogenannte Filterasche an, in welcher das als Katalysator eingesetzte Metall in Form eines Oxides oder auch in Form eines Salzes, beispielsweise als Sulfat, enthalten ist. Die Filterasche kann nicht durch thermische Regenerationsverfahren beseitigt werden. Vielmehr führt die Filterasche zu einem stetigen Ansteigen eines sogenannten Abgasgegendrucks, was wiederum zu einer begrenzten Einsatzdauer des Rußfilters führt.
Bei der Auswahl des in dem Additiv enthaltenen, als Katalysator wirkenden Metalls ist darauf zu achten, dass sich bei der Umsetzung in der Brennkraftmaschine keine nachteiligen Sekundäreigenschaften, beispielsweise eine Änderung einer Motorölqualität oder eine Ablagerung von Verkokungsprodukten, einstellen. Beispiele für bisher eingesetzte Metalle sind Cer oder Eisen. Die anfallenden Mengen an Additivasche in der Filterasche liegen dabei bisher bei 100 mg Cer bzw. 35 mg Eisen pro Kilogramm Kraftstoff, der in der Brennkraftmaschine verbrannt wurde.
Katalysatoren höherer Aktivität, wie beispielsweise Platin, können bisher nicht eingesetzt werden, da deren in dem Kraftstoff löslichen Verbindungen als toxikologisch bedenklich eingestuft werden.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Abgasstrang einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Diesel-Brennkraftmaschine, mit den Merkmalen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, bei welchem Abgasstrang die Einrichtung zur Regeneration des Rußfilters eine Aufbereitungseinheit umfasst, mittels der ein einen Katalysator für die Regeneration umfassendes Additiv oder ein Umsetzungsprodukt desselben stromab der Brennkraftmaschine und stromauf des Rußfilters in den Abgasstrang eintragbar ist, hat den Vorteil, dass das Additiv nicht durch die Brennkraftmaschine geführt wird, so dass die durch die Brennkraftmaschine gegebenen Restriktionen hinsichtlich der Auswahl des Additivs entfallen.
Vielmehr ist es möglich, Additive, wie Edelmetalle, einzusetzen, die bei der Oxidation von Ruß in dem Rußfilter eine erheblich höhere katalytische Aktivität als die bisher dem Kraftstoff für die Brennkraftmaschine und damit auch der Brennkraftmaschine zugeführten Additive aufweisen, die bei einer Umwandlung im Brennraum der Brennkraftmaschine zu einer Verkokung von Düsen oder Ventilen führen könnten, wie es bei Katalysatoren auf Basis von Elementen der Eisenmetallgruppe der Fall wäre.
Das Additiv, das den Katalysator selbst oder einen Precursor desselben bildet, sollte so ausgewählt werden, dass keine toxikologischen Bedenken bestehen. Ferner sollte durch die Auswahl sichergestellt sein, dass durch den Katalysator keine Poren des Rußfilters verstopft werden, was einen raschen Anstieg des Abgasgegendrucks zur Folge hätte.
Der Ort der Eindosierung des katalytisch wirksamen Stoffes in den Abgasstrang liegt beispielsweise im Krümmerbereich, stromab eines Turboladers oder stromab eines Dieseloxidationskatalysators.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Abgasstrangs nach der Erfindung weist die in dem Abgasstrang oder außerhalb des Abgasstrangs angeordnete Aufbereitungseinheit für das Additiv, das zweckmäßigerweise in einem Vorratsbehälter vorgehalten wird, eine Dosiereinrichtung auf, mittels der definierte Mengen des Additivs bzw. eines Umsetzungsprodukts desselben bedarfsgerecht in den Abgasstrang eintragbar sind.
Mittels der Dosiereinrichtung, die mit einer Steuereinheit verbunden sein kann, ist es insbesondere möglich, das Additiv bzw. dessen Umsetzungsprodukt unabhängig vom Lastzustand der Brennkraftmaschine und insbesondere diskontinuierlich in den Abgasstrang einzutragen.
So ist es beispielsweise möglich, das Additiv in Abhängigkeit von der Konzentration an Ruß in dem betreffenden Abgas oder auch in Abhängigkeit von einem sogenannten Abgasgegendruck in den Abgasstrang einzutragen.
Insbesondere kann ein Additiv, das selbst den Katalysator darstellt, bzw. ein den Katalysator darstellendes Umsetzungsprodukt des Additivs mittels der Dosiereinrichtung unabhängig vom Lastzustand der Brennkraftmaschine in solch geringen Mengen in dem Abgasstrang eindosiert werden, dass nur geringe Mengen an Additivasche entstehen, welche die Lebensdauer des Rußfilters begrenzt.
Dies gilt insbesondere für die Verwendung hochaktiver, aus einem Edelmetall wie Platin bestehender Katalysatoren, die aufgrund einer geringeren additivbedingten Filterveraschung zu einer erheblichen Erhöhung der Laufleistung des Rußfilters führen, was wiederum zu einer hohen Attraktivität des Abgasstrangs nach der Erfindung sowie zu geringeren Betriebskosten des betreffenden Kraftfahrzeuges führt.
Die Eindosierung des Additivs bzw. von dessen Umsetzungsprodukt kann auf unterschiedliche Weise erfolgen. So ist beispielsweise eine kontinuierliche Eindosierung gleichbleibender Rate oder auch mit einer Rate möglich, die mit der anfallenden Partikelrohemission korreliert ist, die sich also aus der von der Brennkraftmaschine abgegebenen Rußkonzentration errechnet. Die Ermittlung der Rußkonzentration kann entweder durch einen in dem Abgasstrang angeordneten Rußsensor oder gemäß eines motorlastabhängigen Kennfeldmodells erfolgen, das durch eine elektronische Motorsteuerung vorgegeben wird.
Bei einer diskontinuierlichen Eindosierung des Additivs bzw. von dessen Umsetzungsprodukt ist es denkbar, dass eine Zudosierung in Phasen erfolgt, in denen das betreffende Abgas eine hohe Rußkonzentration hat, oder auch in Phasen, in denen eine hohe Beladung des Rußfilters mit Ruß diagnostiziert wird. Zur Diagnostizierung der Rußbeladung des Rußfilters kann entweder ein Sensor oder auch ein Filterbeladungsmodell herangezogen werden.
Ferner ist es denkbar, dass eine Eindosierung in festen Zeit- und/oder Entfernungsintervallen, beispielsweise alle tausend Fahrkilometer des betreffenden Kraftfahrzeuges, erfolgt. Auch können sich die Intervalle aus der Menge an Ruß ergeben, die bei Betrieb der Brennkraftmaschine auf dem Rußfilter abgeschieden wird.
Die Eindosierung kann auch so erfolgen, dass der Katalysator, der zusammen mit dem Ruß auf dem Rußfilter abgeschieden wird, seine Konzentration schichtweise ändert.
Die Eindosierung kann auch in Abhängigkeit von einem Abgasvolumenstrom, einer Abgastemperatur, einer Drehzahl der Brennkraftmaschine oder einem von der Brennkraftmaschine ausgeübten Drehmoment erfolgen, und zwar beispielsweise in Phasen, in denen durch den Betrieb der Brennkraftmaschine im Zusammenwirken mit dem Additiv eine Filterregeneration ermöglicht wird oder auch in Schwachlastphasen, beispielsweise in Leerlaufphasen, in denen ein geringer Abgasvolumenstrom anfällt.
Auch kann die Zudosierung von weiteren Parametern abhängig sein, insbesondere wenn die Aufbereitungseinheit auch für andere Zwecke, beispielsweise für eine Fahrgastzellenheizung oder eine Standklimaanlage, eingesetzt wird.
Des Weiteren umfasst eine spezielle Ausführungsform des Abgasstrangs nach der Erfindung ein Filtermanagementsystem, mit dem die Aufbereitungseinheit zusammenwirkt. Das Filtermanagementsystem kann dazu dienen, eine Eindosierung auszulösen und hierzu unmittelbar vor einer erforderlichen Regeneration des Rußfilters die Aufbereitungseinheit in Betrieb zu setzen.
Auch kann das Filtermanagementsystem einen Brenner in Betrieb setzen, der zur Regeneration des Rußfilters dient und bei einer speziellen Ausführungsform des Abgasstrangs nach der Erfindung auch zur Umsetzung des Additivs eingesetzt wird, so dass gleichzeitig eine zur Regeneration erforderliche Temperaturerhöhung an dem Rußfilter und eine zur Umsetzung des Additivs erforderliche Temperaturerhöhung stromauf des Rußfilters stattfindet.
Es ist denkbar, das den katalytischen Stoff oder einen Precursor desselben bildende Additiv oder dessen Folgeprodukt separat oder bei einer speziellen Ausführungsform auch zusammen mit weiteren, nachmotorisch zudosierten Substanzen, wie Harnstoff, eine Harnstoffwasserlösung, Ammoniak, oder dergleichen einzudosieren. Eine separate Eindosierung des Additivs hat jedoch den Vorteil einer besseren Dosierbarkeit.
Wenn es erforderlich ist, dass das Additiv vor dem Eintrag in das in dem Abgasstrang strömende Abgas in eine katalytisch aktive Struktur umgesetzt wird, ist es zweckmäßig, wenn die Aufbereitungseinheit eine Umsetzungseinrichtung für das Additiv umfasst.
In der Umsetzungseinrichtung können beispielsweise organische Schutzstrukturen des bei der Rußfilterregeneration katalytisch wirksamen Stoffes zerstört werden. Die Umsetzung kann durch Verbrennung, Thermolyse, Reformieren oder andere Reaktionsarten erfolgen. Wenn beispielsweise das Additiv in einem flüssigen Medium vorliegt, ist es zweckmäßig, ein Heizelement einzusetzen, mittels dessen eine Verdampfung des flüssigen Mediums erfolgt, so dass der Katalysator, den das Additiv umfasst, sich nach der Eindosierung in den Abgasstrang auf den Rußpartikeln des betreffenden Abgases anlagert und zusammen mit diesen auf dem Rußfilter abgelagert wird.
Es kann auch ein Zusatzbrenner vorgesehen sein, der ein Gemisch aus dem Additiv und einem Kraftstoff verbrennt und dessen Verbrennungsgase dem Abgasstrang an einer geeigneten Stelle zwischen der Brennkraftmaschine und dem Rußfilter zugeführt werden. Eine Speicherung des Kraftstoff/Additiv-Gemisches kann in einem entsprechenden Tank erfolgen.
Es ist aber auch denkbar, das Additiv separat in einem Vorratsbehälter zu speichern und erst unmittelbar vor der Aufbereitung in einem Mischer mit Kraftstoff zu mischen, der aus dem herkömmlichen Kraftstofftank des betreffenden Kraftfahrzeuges herangeführt wird. Hierbei kann eine kontinuierliche Mischung des Kraftstoffes und des Additivs oder auch eine bedarfsgerechte Anpassung des Mischungsverhältnisses erfolgen. Beispielsweise kann die Konzentration an Additiv direkt vor Einleitung der Regeneration des Rußfilters erhöht werden. Auch kann die Steuerung so erfolgen, dass die Konzentration an dem Additiv zu Beginn der Eindosierung in den Abgasstrang besonders hoch ist.
Wenn das Additiv und das flüssige Medium erst unmittelbar vor dem Einströmen in die Umsetzungseinheit gemischt werden, besteht der Vorteil, dass die Mischung selbst nicht lagerfähig sein muss. Das flüssige Medium wird dann beispielsweise in der Umsetzungseinrichtung umgesetzt.
Die Heizenergie des Zusatzbrenners, der im Abgasstrom oder einem Abgasteilstrom angeordnet sein kann, kann zum Aufheizen des Abgasstrangs oder auch durch geeignete apparative Verschaltung im Bedarfsfall als Heizquelle für eine Fahrgastzelle eingesetzt werden.
Alternativ ist es möglich, den Abgasstrang gemäß der Erfindung so auszulegen, dass das Additiv als Suspension in den Abgasstrang eingetragen wird. Der Katalysator ist als feindisperser Feststoff in der Suspension enthalten, wobei das flüssige Medium, beispielsweise Wasser oder ein organisches Lösungsmittel, in dem Abgasstrang verdampft und sich die Feststoffe auf den Rußpartikeln des Abgases anlagern. In diesem Fall wird also das katalytisch wirksame Material direkt in den Abgasstrang eingetragen. Beispielsweise ist das Additiv eine Suspension eines nanostrukturierten Katalysators, der bei einer speziellen Ausführungsform aus Platin/Ceroxid-Teilchen bestehen kann, wobei das flüssige Medium aus Wasser oder einem Alkohol gebildet sein kann.
Das Additiv bzw. das katalytisch wirksame Material kann grundsätzlich gasförmig, flüssig oder auch als Feststoff in den Abgasstrom eindosiert werden. Bei einem gasförmig, flüssig oder fest in den Abgasstrom eindosierten Additiv ist es erforderlich, dass dieses an dem Rußfilter katalytisch wirkt oder sich in dem Abgasstrang oder in der Umsetzungseinrichtung in einen katalytisch wirksamen Stoff umwandelt. Als Gas kann beispielsweise ein Silan, wie Tetramethylsilan, eingesetzt werden. Die Aufbereitungseinheit umfasst dann zweckmäßigerweise eine Gaskartusche. In dem Abgasstrang oder in der Umsetzungseinrichtung erfolgt eine Umwandlung des Gases in einen Feststoff, der sich an den Rußpartikeln anlagern kann.
Wenn das Additiv in flüssiger Form in einem Kraftstoff gelöst vorliegt, kann es beispielsweise auch Metallatome, wie Kupfer, Platin oder Silber, umfassen, die mit organischen Liganden einen Komplex bilden, die in der Umsetzungseinrichtung zerstört werden, so dass sich die Metallatome als katalytisch aktive Zentren auf den Rußpartikeln des Abgases anlagern können.
Bei den eingesetzten Additiven kann es sich insbesondere auch um Verbindungen handeln, die in Dieselkraftstoff lösbar sind und einen Komplex auf der Basis von Cer- oder Eisen-Metallkernen bilden.
Denkbar ist es natürlich auch, Additive mit anderen aktiven Metallkernen, beispielsweise aus Kupfer, Platin oder Silber einzusetzen, die durch einen organischen Komplex geschützt sind, der eine Löslichkeit im Kraftstoff ermöglicht. Als Lösungsmittel kann alternativ zu Kraftstoff auch Wasser oder ein anderes organisches Lösungsmittel, wie ein Alkohol, eingesetzt werden, wobei eine Komplexierung der Additive insbesondere durch polare Verbindungen erfolgen kann.
Des Weiteren kann es sich bei den eingesetzten Additiven um Metallkolloide handeln, die in unstabilisierter Form oder durch Liganden stabilisiert vorliegen können und die in Lösung gehalten werden, wobei durch eine Verbrennung in der Umsetzungseinrichtung eine zumindest teilweise Verdampfung erfolgt.
Auch kann es sich bei den Additiven um Kolloide aus Metallsalzen, wie Nitraten, oder aus Metalloxiden, beispielsweise aus Ceroxid, handeln, welche durch Liganden stabilisiert oder in unstabilisierter Form vorliegen können. Die Kolloide erfahren durch ihre Verbrennung oder eine anderweitige chemische Umsetzung in der Aufbereitungseinheit eine Umwandlung in eine katalytisch aktive Form. Insbesondere erfolgt in der Aufbereitungseinheit eine chemische bzw. strukturelle Umwandlung der Kolloide.
Das Additiv kann auch in einem wässrigen Gemisch enthalten sein, das in der Aufbereitungseinrichtung beispielsweise mittels einer Reformierungseinrichtung oder durch Desorption von den katalytischen Stoff schützenden Liganden aufbereitet wird oder das direkt als wässrige Lösung in den Abgasstrang eindosiert wird.
Jedoch umfasst das Additiv bei einer bevorzugten Ausführungsform des Abgasstrangs ein fertiges katalytisches Material, beispielsweise ein Oxid wie Ceroxid oder Edelmetalloxidmischungen, die mittels der Aufbereitungseinheit in hoher Feinheit eingetragen werden, und zwar als Feststoff in Reinform der auch in einer Flüssigkeit suspendiert.
Der katalytisch wirkende Feststoff kann in oxidischer Form, beispielsweise als Fe₂O₃, als CeO₂ oder als Edelmetalloxid, oder auch in metallischer Form vorliegen. In letzterem Fall ist der katalytisch wirkende Feststoff beispielsweise aus Silber, Platin, Palladium, Rhodium, Kupfer, Eisen, Mangan, Chrom, Kobalt, Nickel oder dergleichen gebildet. Der katalytisch wirkende Feststoff kann aber auch ein nicht oxidisches Metallsalz umfassen, beispielsweise ein Sulfid, ein Carbonat, ein Sulfat, ein Halogenid, ein Phosphat oder dergleichen. Auch kann der katalytisch wirkende Feststoff aus einer Kombination der genannten Stoffe gebildet sein. Denkbar ist es auch, ein poröses oder ein nicht poröses Oxid oder ein Metall mit einem Zeolithen als Träger einzusetzen.
Wenn das Additiv als reiner Feststoff, d. h. als fertiger Feststoffkatalysator vorliegt, kann dieser beispielsweise als Staub entweder mittels Druckluft oder auch mittels einer Förderschnecke in den Abgasstrang eingetragen werden. Bei einer derartigen Ausführung kann auf lösliche Additivkomponenten verzichtet werden.
Auch ist es denkbar, den als fertigen Katalysator vorliegenden Feststoff, wie beispielsweise Silber, in einem tiegelartigen Vorratsbehälter vorzuhalten und mittels einer Heizeinrichtung soweit zu erwärmen, dass der Dampfdruck so hoch ist, dass das Abgas mit dem Dampf des Feststoffes versehen wird. Der Feststoff kann auch in geschmolzener Form in dem Vorratsbehälter vorgehalten und in den Abgasstrang eingedampft werden. Silber schmilzt beispielsweise bei 962 °C und hat bei 900 °C einen Dampfdruck von etwa 0,01 mbar. Bei Sättigung des Abgases mit Silberdampf ist eine theoretische Silberkonzentration von etwa 1 ppm zu erwarten, was etwa der Menge an Additiv bei herkömmlichen Verfahren entspricht. Silber hat eine höhere katalytische Aktivität als beispielsweise bisher eingesetzte Cer- oder Eisenoxide. Daher ist auch bei einer maximalen motorischen Partikelemission bereits eine kleinere eindosierte Silbermenge ausreichend. Unter den Voraussetzungen des herkömmlichen Verfahrens beträgt die anfallende Silbermenge bei einer Fahrleistung des betreffenden Kraftfahrzeuges von 200000 km etwa 200 g.
Aufgrund der höheren Aktivität von Silber und einer der Partikelrohemission angepassten Dosierung kann die Silbermenge bei Einsatz des Abgasstrangs gemäß der Erfindung um etwa eine dekadische Größeneinheit niedriger liegen. Das eingetragene Silber wird größtenteils auf dem Rußfilter akkumuliert, kann aber bei hohen Regenerationstemperaturen, die beispielsweise im Bereich von 900 °C liegen, in kleinen Mengen abdampfen. Bei einer vollständigen Sättigung des Abgases mit Silberdampf und einer Regeneration in Intervallen von 1000 km, Regenerationszeiten von 5 Minuten und einem Abgasvolumenstrom von etwa 100 m³/h verdampfen bei einer Fahrleistung von etwa 200000 km etwa 8 g Silber vom Filter. Der Großteil davon resublimiert an kälteren Stellen des Abgasstranges. Die Verwendung von Silber hat den Vorteil, dass es nicht toxisch ist.
Anstatt einer Verdampfung aus einem tiegelartigen Vorratsbehälter kann der Feststoff auch mittels einer modifizierten Glühstiftkerze verdampft werden, auf welcher das zu verdampfende Material aufgebracht ist. Die in den Abgasstrang eingetragene Menge an Additiv wird dann über die Temperatur des Glühstiftes eingestellt, welche abhängig ist von dem an dem Glühstift eingestellten elektrischen Strom.
Wenn das als fertiger Katalysator vorliegende, zu verdampfende Material, das beispielsweise aus Silber gebildet ist, in flüssiger Form vorliegt, kann das zur Erhitzung des Materials erforderliche Heizelement in die Flüssigkeit eintauchen, wobei das Abgas zur Aufnahme des Katalysators über die Flüssigkeitsoberfläche geführt wird.
Um einen hohen Sättigungsgrad an dem von dem Additiv gebildeten Katalysator in dem Abgas zu erreichen, kann das Abgas an der Stelle des Verdampfers beispielsweise mittels statischer Mischer turbulent geführt werden.
Um das Additiv bzw. den Katalysator besser auf dem Rußfilter binden zu können oder um dem Rußfilter eine zusätzliche katalytische Funktion verleihen zu können, kann der Rußfilter mit einem porösen Washcoat überzogen sein, der beispielsweise aus porösen γ-Aluminiumoxid besteht. Der Washcoat kann gegebenenfalls zusätzliche katalytische Stoffe wie Edelmetalle oder Metalloxide, Metallsulfate, Metallcarbonate oder Metallnitrate enthalten.
Um eine möglichst kleine Baugröße der Aufbereitungseinheit und kleine Volumenströme zu erreichen, kann es zweckmäßig sein, das Additiv in reiner Form einzusetzen.
Die Erfindung hat auch ein Verfahren zur Regenerierung eines Rußfilters zum Gegenstand, der in einem Abgasstrang einer Brennkraftmaschine angeordnet ist. Bei dem Verfahren, bei dem ein Additiv eingesetzt wird, das einen Katalysator umfasst, der an dem Rußfilter bei der Regenerierung wirkt, und die Temperatur des Rußfilters erhöht wird, so dass an diesem angelagerte Rußpartikel oxidieren, wird das Additiv oder ein Folgeprodukt desselben an einer Stelle des Abgasstranges eingetragen, die zwischen der Brennkraftmaschine und dem Rußfilter liegt.
Durch Einsatz des Verfahrens nach der Erfindung ist eine brennkraftmaschinenunabhängige Zudosierung eines Katalysators für die Regenerierung des Rußfilters möglich.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes nach der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen entnehmbar.

Zeichnung

Drei Ausführungsbeispiele eines Abgasstrangs nach der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch vereinfacht dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Figur 1 einen Abgasstrang mit einer eine Umsetzungseinrichtung aufweisenden Aufbereitungseinheit für ein Additiv; Figur 2 einen Abgasstrang mit einer ein Dosierventil umfassenden Aufbereitungseinheit für einen katalytisch wirksamen Stoff; und
Figur 3 einen Abgasstrang mit einer Aufbereitungseinheit für einen katalytisch wirksamen Stoff mit einem Verdampfungstiegel.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Figur 1 ist ein Abgasstrang 10 einer ansonsten nicht näher dargestellten Diesel-Brennkraftmaschine eines Personenkraftwagens dargestellt. Der Abgasstrang 10 umfasst ein Abgasrohr 11 und einen Rußfilter 12 mit einer porösen Filterstruktur 14, der zum Abscheiden von Rußpartikeln aus dem in dem Abgasstrang 10 strömenden Abgas dient.
Stromauf des Rußfilters 12 umfasst der Abgasstrang 10 des Weiteren eine Einrichtung 16 zur Regeneration des Rußfilters 12. Die Einheit 16 weist eine Heizeinrichtung 18 auf, mittels der das durch den Abgasstrang strömende Abgas erhitzt werden kann, so dass an dem Rußfilter 12 eine thermische Oxidation des abgelagerten Rußes erfolgen kann.
Stromauf der Heizeinrichtung 18 umfasst die Einrichtung 16 zur Regeneration des Rußfilters eine Aufbereitungseinheit 20 zur Aufbereitung eines aus einem Vorratsbehälter 22 herangeführten, flüssigen Mediums. Das in dem Vorratsbehälter 22 enthaltene flüssige Medium besteht aus einem Gemisch aus Dieselkraftstoff und einem Additiv, das aus Platinatomen besteht, die jeweils durch einen organischen Komplex geschützt sind.
In der Aufbereitungseinrichtung 20, die einen Brenner als Umsetzungseinrichtung umfasst, wird der Kraftstoff verbrannt und das Additiv so umgesetzt, dass der die Platinatome schützende, organische Komplex zersetzt und die Platinatome über ein Dosierventil 24 in das Abgasrohr 11 eindosierbar sind. Die Platinkerne bzw. -atome lagern sich dort auf den in dem betreffenden Abgas enthaltenen Rußpartikeln an und bilden für die Regeneration des Rußfilters 12 katalytisch aktive Zentren, so dass die zur Regeneration des Rußfilters 12 erforderliche Aktivierungstemperatur, die mittels des Heizers 18 eingestellt wird, verringert ist.
Zur Steuerung der Aufbereitungseinheit 20 und der Heizeinrichtung 18 ist eine Steuereinheit 26 vorgesehen, die mit einer elektronischen Motorsteuerung verbunden oder Bestandteil einer solchen ist.
In Figur 2 ist ein Abgasstrang 30 dargestellt, der entsprechend dem Abgasstrang nach Figur 1 einen Rußfilter 12 mit einer Filterstruktur 14 aufweist, stromab dessen eine Einrichtung 16 zur Regeneration des Rußfilters 12 angeordnet ist, die eine Heizeinrichtung 18 für das in dem Abgasstrang 30 strömende Abgas umfasst.
Die Einrichtung 16 zur Regeneration des Rußfilters 12 umfasst des Weiteren einen als Tank ausgebildeten Vorratsbehälter 32, in dem eine wässrige Suspension mit nanostrukturierten, katalytisch wirksamen Teilchen aus Platin und Ceroxid enthalten ist, die über eine Dosierventil 24 in den Abgasstrang 30 eindosierbar ist. Bei der Eindosierung, die mittels einer elektronischen Steuereinheit 26 gesteuert wird, erfolgt in dem Abgasstrang 30 aufgrund der dort herrschenden Temperaturen eine Verdampfung des wässrigen Mediums, so dass sich die aus Platin und Ceroxid bestehenden, in dem Tank 32 in Suspension vorliegenden Teilchen auf den in dem Abgas enthaltenen Rußpartikeln anlagern und bei der durch Aktivierung der Heizeinrichtung 18 ausgelösten Regeneration des Rußfilters 12 als katalytisch wirksame Zentren dienen.
In Figur 3 ist ein Abgasstrang 40 dargestellt, der ebenfalls einen Rußfilter 12 mit einer porösen Rußfilterstruktur 14 aufweist.
Entsprechend den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen ist stromab des Rußfilters 12 eine Einrichtung 16 zur Regeneration des Rußfilters 12 angeordnet, die eine Heizeinrichtung 18 für das in dem Abgasstrang 40 strömende Abgas aufweist. Stromab der Heizeinrichtung 18 umfasst die Einrichtung 16 zur Regeneration des Rußfilters 12 einen beheizbaren Tiegel 42, der eine Aufbereitungseinheit darstellt und als Vorratsbehälter für ein Additiv dient, das im vorliegenden Fall aus reinem Silber gebildet ist und einen katalytisch wirksamen Stoff für die Regeneration des Rußfilters 12 darstellt.
Der mit Silber befüllte Tiegel 42 ist mit einer Steuereinheit 26 verbunden, die mit einem Rußsensor 44 zur Messung der Rußkonzentration des in dem Abgasstrang 40 strömenden Abgases und mit der Heizeinrichtung 18 verbunden ist. In Abhängigkeit von der mittels des Rußsensors 44 gemessenen Rußkonzentration wird eine Heizung des Tiegels 42 von der Steuereinheit 26 so angesteuert, dass der Silberdampfdruck über dem Tiegel 42 steigt und Silber in das Abgasrohr 11 eindosiert wird und sich auf den Rußpartikeln des Abgases anlagert. Das auf den Rußpartikeln angelagerte Silber wirkt bei der Regeneration des Rußfilters 12 als katalytisch wirksamer Stoff.

Claims

Abgasstrang einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Diesel-Brennkraftmaschine, mit einem Rußfilter (12) und einer Einrichtung (16) zur Regeneration des Rußfilters (12), wobei die Einrichtung (16) zur Regeneration des Rußfilters (12) eine Aufbereitungseinheit (20, 24, 42) umfasst, mittels der ein einen Katalysator für die Regeneration umfassendes Additiv oder ein Umsetzungsprodukt desselben stromab der Brennkraftmaschine und stromauf des Rußfilters (12) in den Abgasstrang eintragbar ist.
Abgasstrang nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufbereitungseinheit (20, 24, 42) ein Vorratsbehälter (22, 32, 42) für das Additiv zugeordnet ist.
Abgasstrang nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufbereitungseinheit (20, 24) eine Dosiereinrichtung (24) zugeordnet ist.
Abgasstrang nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosiereinrichtung (24) mit einer Steuereinheit (26) verbunden ist.
Abgasstrang nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufbereitungseinheit (20) eine Umsetzungseinrichtung für das den Katalysator umfassende Additiv umfasst.
Abgasstrang nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Umsetzungseinrichtung (20) einen Brenner oder ein Heizelement umfasst.
Abgasstrang nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufbereitungseinheit (42) mit einem Rußsensor (44) zusammenwirkt.
Abgasstrang nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufbereitungseinrichtung mit einer elektronischen Motorsteuerung zusammenwirkt.
Abgasstrang nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufbereitungseinheit mit einem Filtermanagementsystem zusammenwirkt.
Abgasstrang nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das den Katalysator umfassende Additiv in einem flüssigen Medium enthalten ist.
Abgasstrang nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Medium ein wässriges und/oder ein organisches Lösungsmittel ist.
Abgasstrang nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Medium ein Brennstoff ist.
Abgasstrang nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufbereitungseinheit ein Mittel zur turbulenten Führung des Abgases umfasst.
Abgasstrang nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Rußfilter mit einem porösen Washcoat überzogen ist.
Verfahren zur Regenerierung eines Rußfilters (12), der in einem Abgasstrang (10, 20, 40) einer Brennkraftmaschine angeordnet ist, umfassend die Schritte
- Einsetzen eines Additivs, welches eine Suspension eines nanostrukturierten Katalysators oder die Lösung eines Metallkolloides darstellt, das an dem Rußfilter (12) bei der Regenerierung wirkt;

- Erhöhen der Temperatur des Rußfilters (12), so dass an diesem angelagerte Rußpartikel oxidieren,
dadurch gekennzeichnet, dass das Additiv oder ein Umsetzungsprodukt desselben an einer Stelle in den Abgasstrang (10, 20, 40) eingetragen wird, die zwischen der Brennkraftmaschine und dem Rußfilter (12) liegt.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Additiv oder dessen Umsetzungsprodukt kontinuierlich eingetragen wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Additiv oder dessen Umsetzungsprodukt diskontinuierlich eingetragen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Additiv oder dessen Umsetzungsprodukt in Abhängigkeit von einer Rußkonzentration des Abgases eingetragen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Additiv oder dessen Umsetzungsprodukt in Abhängigkeit von einem Abgasgegendruck eingetragen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Additiv oder dessen Umsetzungsprodukt durch Verdampfung einer Flüssigkeit in den Abgasstrang eingetragen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Additiv oder dessen Umsetzungsprodukt durch Verbrennung eines Brennstoffes in den Abgasstrang eingetragen wird.